אוורור מאוזן

אוורור מאוזן

אוורור מאוזן (balanced ventilation) נמצא בשימוש בבניינים תעשייתיים לעתים רחוקות. הבדלים בלחץ אוויר על פני חזית הבניין . גורמים לאוויר קר משמעותית מחוץ לבניין לזרום לאזור הכניסה ולגרום לאי נוחות. מסך אויר אשר עוצב היטב והותקן כנדרש יאפשר לחמם חלק ניכר מן האוויר החם הנכנס לבניין, ומאפשר חסכון אנרגיה ונוחות מרבית.

הסיבות לרוח פרצים

סביבת הפנים בבניינים מושפעת מאוורור (אספקת אוויר נקי מבוקרת, רבות בצורה ממוכנת) וחלחול (אספקת אוויר נקי לא מבוקרת). כאשר הדלת פתוחה, מרבית האוויר הנקי מחוץ לבניין נכנס באמצעות פתח הכניסה, וגורם לרוח פרצים ולאובדן חום. מבנים תעשייתיים, כגון מחסנים ומפעלי הרכבה, סובלים לעתים קרובות מכמויות גדולות של אויר קר הזורם לתוך הבניין. לכך סיבות רבות (איור 1).

ראשית, ישנם מאפיינים מסוימים למבנה תעשייתי. בניגוד למבנים כדוגמת חנויות, משרדים וכדומה, מבנים תעשייתיים הינם גדולים מאוד ולעתים קרובות מוצבים במרחבים פתוחים. כמו כן לעתים קרובות במבנים תעשייתיים קיימים פתחי כניסה גדולים מאוד. פתחי כניסה אלה עלולים להיות ממוקמים בצידו האחד של המבנה, או שעלולות להיות מספר דלתות בצדדיו המנוגדים של המבנה. מבני מפעלים ישנים אינם חסיני דליפה ועלולה להיווצר בהן הסתננות של אוויר חם החוצה. כל הגורמים הללו יכולים להוביל לכניסת כמויות גדולות של אוויר קר מחוץ לבניין דרך הדלתות הפתוחות ליציאתו במקום אחר.

הסיבה השנייה היא אוורור ממוכן. אוורור ממוכן יאפשר למבנה כמות מספקת של אוויר נקי בצורה מבוקרת. בלעדי הכנסת האוויר המבוקרת של כמות האוויר, ייגרמו הבדלים בלחץ אוויר בין הפנים לחוץ. כאשר דלת תיוותר פתוחה, מרבית האוויר הנקי תכנס באמצעות הדלת, מכיוון שההתנגדות בכניסה נמוכה בהשוואה לחלונות פתוחים או סדקים. מקור אחר לאוורור ולחדירת אוויר הינו יניקה מקומית של תהליכי יצור, כדוגמת ריתוך או פוליש. בלעדי פיצוי באמצעות זרימת מבוקרת של אוויר מבחוץ, יניקה מקומית תגרום רוח פרצים כאשר דלת תישאר פתוחה.

הסיבה השלישית לבעיית רוח פרצים היא רוח. ביום סוער, ישנה רוח פרצים משמעותית אם דלתות בכל צד של הבניין תהא פתוחה. במצב זה רוח יכולה לנשוב בקלות ובמהירות רבה לאורך כל הבניין. אנו משתמשים בתופעה זו בבית בימי הקיץ באמצעות הותרת הדלת הקדמית והדלת האחורית פתוחות בו זמנית. עם דלת פתוחה אחת בלבד, האוויר לא יזרום דרכה בצורה מוחלטת מכיוון שהלחץ יצטבר במבנה ויתנגד לאוויר הזורם פנימה. למרות זאת, האוויר יגרום לחץ יתר על  הצד המצוי בכוון הרוח, ולחץ נמוך מידי על הצד המוגן מפני הרוח של המבנה. המצב יגרום לזרימת אוויר בתוך המבנה מכוון הצד המצוי בכוון הרוח לצד המוגן ממנה. הכוח של זרימת האוויר תהא תלויה במהירות הרוח, כוון הרוח ורמת ההגנה מדליפות של המבנה. בנוסף, הטבע וטורבולנטי של הרוח עלול כמו כן לשמש ככוח הולם על הדלת הפתוחה, כך שלחצים דיפרנציאליים עלולים להשתנות בהתאם לזמן ולמיקום של פתח הכניסה.

לבסוף, מתקיים "אפקט הארובה" או "אפקט הערמה". העובדים בקומת המסחר צריכים להרגיש בנוח, והאזורים התחתונים של החלל מחוממים בהתאם. אויר חם יעלה ויברח מהמבנה באמצעות רווחים או אשנבים פתוחים. ברמת הרצפה, האוויר המתרומם יתחלף באוויר הקריר הנכנס למבנה מבחוץ באמצעות הדלת.

הבדלי טמפרטורה או הבדלי לחץ?

הגורם לזרימת אוויר דרך דלת פתוחה יכול להיות מוסק מתוך פרופיל הזרימה באמצעות פתח הכניסה.  פרופיל הזרימה הינו הסכום של זרימה חד צדדית (באמצעות הבדלי לחץ) וזרימה דו צדדית (באמצעות הבדלי טמפרטורה). באמצעות שימוש בגובה הניטראלי אנו מסוגלים להבחין בין ארבע קטגוריות (ראו טבלה 1). הגובה הניטראלי הינו הגובה  בפתח הכניסה היכן שמהירות האוויר האופקית הינה 0.

טבלה 1. קטגוריות וערכים תואמים לגובה ניטראלי. גובה הדלת מיוצג באמצעות h.

דרך קלה להדגים את הגובה הניטראלי בדלת פתוחה היא לשחרר עשן לאורך קו אנכי בפתח הכניסה. הגובה בו העשן לא יזוז הינו הגובה הניטראלי. במקרה בו אין זרימת אוויר אל תוך המבנה באמצעות פתח הכניסה (למשל במקרים של מבנים אטומים מדליפות), הבדלי הטמפרטורה הקיימים מעל לפתח הכניסה יגרמו לזרימת אוויר דו כיוונית (זרימת אוויר טבעית בכוון אנכי). אויר קר נכנס דרך החלק התחתון של הדלת ואילו האוויר החם נמלט באמצעות החלק העליון של הדלת (איור 2א). במקרה כזה, הגובה הניטראלי הינו בערך באזור מחצית מגובה פתח הכניסה.

בדיקת מאזן כמויות האוויר תראה יותר אוויר קר נכנס מאשר אוויר חם יוצא. במצב כזה, הגובה הניטראלי יהיה גבוה יותר. אם הגובה הניטראלי מצוי בין מחצית ושלושת הרבעים של גובה הדלת, נקרא לו זרימת נטו נמוכה (איור 2ב).

זרימת נטו מוגברת תראה את הגובה הניטראלי בין שלושת רבעי גובה הדלת וגובה הדלת המלא (איור 2ג). במקרה כזה, האוויר הנכנס הינו בעיקר כתוצאה מאוורור או הסתננות. רק כמות קטנה של אויר חם בורחת. נקרא לזה זרימת נטו בינונית.

זרימת נטו גדולה יותר תאפשר זרימה חד צדדית כלפי פנים המבנה. האוורור וההסתננות הינן כעת מרכזיות בהקשר לזרימת האוויר האנכית הטבעית. במקרה הזה, הגובה הניטראלי הינו מעל לגובה הדלת. קטגוריה זו נקראת זרימת נטו גבוהה. בפועל, העשן יכנס באמצעות כל הכניסה (איור 2ד). במצב של דלת תעשייתית של 4.5 מטרים והבדלי טמפרטורה בין הפנים והחוץ של 20 מעלות, יכנסו כ-4000 מטרים מעוקבים של אוויר קר לכל שני מטרים מרובעים של שטח הדלת מידי שעה.

לאחר שהגדרנו את הגובה הניטראלי, נוכל כעת להבין את הסיבות המרכזיות של רוח הפרצים. במקרה בו אין זרימת נטו כלל או שזרימת הנטו הינה נמוכה, הבדלי הטמפרטורות מהווים את הסיבה העיקרית לרוח הפרצים. במקרה של זרימת נטו בינונית או גבוהה, רוח הפרצים נגרמת בעיקר על ידי הבדלי הלחצים מעל הדלת. באמצעות ידע זה נוכל לחפש פתרון מתאים לבעיית רוח הפרצים ועל כן לבחור יחידת מסך אויר מתאימה.

כללי עיצוב

במקרה של זרימת נטו נמוכה (גובה ניטראלי מצוי בגובה מחצית הדלת או מעט מעל )  מטרתו העיקרית של מסך האוויר היא למנוע את בריחת האוויר החם מן המבנה. מסך האוויר נושב את האוויר החם למטה, ואוויר זה זורם בחזרה לאזור החם ברמת הרצפה. מסך האוויר חוסך את עלות החימום של המרחב הפנימי באמצעות הקטנת זרימת האוויר האנכית הטבעית, על ידי שימוש אנרגיית מאוורר ללא חימום נוסף. כמו כן, הזרימה של האוויר הקר בצורה אנכית תוקטן גם כן, ותגרום לנוחות גבוהה יותר במרחב החמים.

במקרה של זרימת נטו גבוהה (גובה ניטראלי מצוי בגובה פתח הכניסה או אפילו גבוה יותר) המטרה העיקרית של מסך האוויר הינה להגביר את הנוחות מעבר לפתח הכניסה. האוויר הקר אשר זורם פנימה מתערבב עם האוויר המחומם היוצא מתוך מסך האוויר מעל את הטמפרטורה לרמה נוחה. במילים אחרות, האוויר הנכנס לא נעצר אלא מחומם, וכך נמנעת רוח הפרצים (איור 3). קיבולת החימום הנוצרת על ידי מסך האוויר תטיב עם החלל הפנימי באמצעות הורדת העומס על מערכת החימום של המבנה.

מאזני החימום של המבנה עם דלת פתוחה, עם ובלי מסך האוויר מודגמים באיור 4.

קרוב לדלת

דלתות במבנים תעשייתיים גבוהות לעתים קרובות. כתוצאה מכן, סילון האוויר המופק מן המסך צריך לעבור מרחק מסוים לפני שיגיע לרצפה. בדרכו למטה הזרם נוטה כלפי פנים והוא יגיע לרצפה בתוך המבנה. כך, האוויר הקר עלול להיכנס בין מסגרת הדלת והזרם המוטה פנימה (איור 5א). על מנת להקטין את כמות האוויר הקר המגיעה מהצדדים אורך מסך האוויר צריך תמיד להיות גדול יותר מרוחב הדלת. סילון מסך האוויר חייב, כמו כן, לעבור כמה שיותר קרוב לצד הדלת לכל אורכה (איור 5ב). זה יעביר את האוויר הקר המגיע מבחוץ דרך האוויר במסך ולא לאורכו.

טורבולנטיות נמוכה

לשם פעילות תקינה של מסך האוויר, תחלופת סילון האוויר והאוויר הקר האופף חייבת להיות קטנה ככל האפשר. ישנן שתי דרכים לעשות זאת:

ראשית, הטורבולנטיות של האוויר המשוחרר חייבת להיות קטנה ככל האפשר. לשם כך יש לבחור סורג יציאה מתאים למטרה זו. ה"ערוצים" הקטנים בסורג צריכים להיות צרים וארוכים על מנת לפצל את המערבולות הגדולות לקטנות. פעולה זו תקטין את הטורבולנטיות בסילון מסך האוויר (איור 6).

כמו כן, הבדלי המהירויות בין סילון מסך האוויר והאוויר האופף צריכים להישמר קטנים ככל האפשר. ניתן להשיג זאת באמצעות שימוש במהירות שחרור נמוכה יחסית (ראו גם הפניה [2]).

יכולת חימום גבוהה

על מסכי האוויר להיות בעלי מומנטום מסוים על מנת להגיע לרצפה (חדירה) ויכולת חימום מסוימת כדי לחמם את האוויר הקר שנכנס מחוץ למבנה. המומנטום ויכולת החימום של סילון האוויר מוצגים באמצעות נוסחה א ונוסחה ב בהתאמה.

בנוסחה, מייצג את האורך של מסך האוויר (מעט ארוך יותר מרוחב הדלת); מייצגת את הצפיפות ו מייצגת טמפרטורה. הסימונים ו מייצגים את החלל הפנימי ואת מסך האוויר, בהתאמה. יכולת החימום הנדרשת מיוצגת על ידי .

א

ב

ניתן לחלק את מסכי האוויר לשתי קטגוריות. סילוני אויר צרים ( של בין 2 ל- 6 סנטימטרים) עם מהירות שחרור גבוהה (של בין 10 ל- 25 מטרים לשנייה), או סילוני אויר רחבים (בין 6 ל-20 סנטימטרים) עם מהירות שחרור נמוכה יחסית (בין 4 ל- 10 מטרים לשנייה).

דוגמת חישוב

נניח מסך אויר עם רוחב שחרור של 10 סנטימטרים ומהירות שחרור של 4 סנטימטרים בשנייה. על מנת שייווצר מומנטום זהה (וכך גם חדירה) ממסך אויר בעל פתח יציאה צר של 4 סנטימטרים, מהירות השחרור צריכה להיות 16 מטרים בשנייה. מדד זרימת האוויר של סילון האוויר הרחב הואלמטר, בזמן שמסך האוויר הצר מפיק רק למטר. במידה ויחידת מסך האוויר מחממת את האוויר החיצוני מחום של 15 מעלות צלסיוס לחום של 35 מעלות צלסיוס, היא תפיק (באמצעות נוסחה (ב) ובתנאי של צפיפות אויר של 1.2 קילוגרם למטר מעוקב) יכולת חימום של 24 קילוואט ו- 24 קילוואט, בהתאמה. משמע כי סילון מסך האוויר הרחב המגיע לאותו העומק הינו בעל יכולת חימום גדולה ב-50%.

במצב מסוים בו 24 קילוואט של אויר קר נכנס לתוך המבנה, מסך האוויר הצר יצטרך להפיק אויר חם יותר מ-35 מעלות צלסיוס (למעשה, 47 מעלות צלסיוס!) לשם יכולת חימום זהה. טמפרטורה כזו היא לרוב גבוהה מידי, שכן הסילון לא יצליח להגיע לרצפה בשל כוחות הציפה. כמון כן, מסך האוויר החם איננו נוח לאנשים העוברים מתחתיו.

ניתן לכוון הן את הסילון הצר והן את הסילון הרחב כך שהם יגיעו לרצפה. למרות זאת, כאשר המומנטום של מסכי האוויר זהים (פרופורציונאליים ל-), זרם האוויר הרחב יהיה בעל יכולת חימום גבוהה יותר (פרופורציונאלית ל-). יכולת חימום גבוהה כזו נדרשת אם יש לחמם כמות גדולה של אויר קר הנכנס אל תוך המבנה. לא מפתיע כי הבחירה הטובה תהיה מסך אויר עם פתח שחרור רחב ומהירות שחרור נמוכה.

חימום של חלק אחד בזרם האוויר איננו יתרון שכן עליו להיות מחומם לטמפרטורת שחרור חמה מאוד על מנת להשיג את היכולת הנדרשת. מנקודת המבט של צריכת אנרגיה ברת קיימא מומלץ להשתמש בסילוני אויר רחבים יחסית עם טמפרטורות שחרור נמוכות (35 מעלות צלסיוס ולא 50). סוג זה של מערכות עם טמפרטורה נמוכה הן אפשרויות "ללא חרטות", מכיוון שהן מאפשרות גם שימוש של מערכות אנרגיה ברות קיימא (למשל משאבות חום) .

סיכום

בנוסף לנתונים כגון גודל הדלת והבדלי הטמפרטורה הצפויים, חשוב לדעת את כמות האוורור וההסתננות העוברים בדלת הפתוחה. ניתן להעריכם באמצעות הגובה הניטראלי של פתח הכניסה.

אוורור והסתננות במבנים תעשייתיים עלולים להגיע לערכים גבוהים מאוד. במקרים אלה, מסך אוויר עם מהירות שחרור נמוכה יהיה הבחירה הנכונה לחימום של אויר רק בצורה חסכונית ויעילה אנרגטית.

מאמר זה נכתב ע"י יונתן רבה בעל ניסיון וידע רב בתחום החימום והמיזוג לחברות מפעלים גני אירועים ועוד...                                                                                                 יתרה מכך החברה גם משכירה ומשווקת את מוצריה בעסקאות ליסינג לתקופות קצרות וארוכות במחיר לכל כיס                                                                                      טלפון 0508330888 בקרו באתרינו החדש : http://www.hcsystem.co.il/ .